Понимание ползучести материала

Ползучесть, иногда называемая холодным течением, представляет собой тенденцию твердого материала к медленному перемещению или к необратимой деформации при воздействии постоянных механических нагрузок. При исследовании компонентов, работающих при высоких нагрузках или высоких температурах, инженеры и металлурги обычно беспокоятся о ползучести. Механизм деформации, называемый ползучестью, может быть или не быть режимом разрушения. В этой статье будут даны ответы на следующие вопросы:

• Что такое ползучесть материала?
• Каковы стадии ползучести материала?
• Что такое сила ползучести?
• Какие существуют типы деформации ползучести?
• Каковы распространенные случаи ползучести?
• Как измерить силу ползучести?
• Как свести к минимуму или избежать деформации ползучести?

Теперь приступим!

Что такое ползучесть материала?

Ползучесть, иногда называемая холодным течением, – это тенденция твердого материала медленно двигаться или подвергаться необратимой деформации под действием постоянных механических нагрузок.

Это может произойти в результате длительного воздействия высоких уровней напряжения, которые все еще ниже предела текучести материала. Долговременное тепловое воздействие делает ползучесть более серьезной, и она часто ухудшается по мере того, как материалы приближаются к точке плавления. Качество материала, период воздействия, температура воздействия и приложенная структурная нагрузка влияют на скорость деформации материала.

В зависимости от интенсивности приложенного напряжения и его продолжительности деформация может увеличиться до такой степени, что компонент больше не сможет служить своей цели. Например, ползучесть лопатки турбины может привести к тому, что лопатка соприкоснется с корпусом и выйдет из строя. При исследовании компонентов, работающих при высоких нагрузках или высоких температурах, инженеры и металлурги обычно беспокоятся о ползучести. Механизм деформации, называемый ползучестью, может быть или не быть режимом отказа.

Например, некоторым инженерам-бетонщикам нравится умеренная ползучесть, потому что она снижает растягивающие напряжения, которые в противном случае могли бы вызвать растрескивание. Деформация ползучести не происходит мгновенно при приложении напряжения, в отличие от хрупкого разрушения. Вместо этого постоянный стресс приводит к накоплению напряжения. В результате ползучесть является «зависимой от времени» деформацией.

Каковы стадии ползучести материала?

Ползучесть — вид деформации металла, происходящий при нагрузках ниже предела текучести металла, обычно при высоких температурах. Есть три этапа ползучести:

• Начальная или I ступень
• Средний или второй этап
• Третичный или III этап

Начальный уровень или этап I

В процессе деформации сначала возникает первичная ползучесть. В этот момент упругая деформация только начинается. Растяжение атомных связей приводит к временной упругой деформации. Вслед за упругой деформацией начинает происходить остаточная пластическая деформация. Это искажение начинается быстрее на стадии первичной ползучести, а затем со временем замедляется. Деформационное упрочнение является причиной снижения скорости ползучести, которое происходит ближе к концу стадии первичной ползучести.

Вторичный или этап II

Как только скорость деформации начинает стабилизироваться и становиться постоянной, начинается вторичная ползучесть. По сравнению с первой стадией и третьей стадией ползучести деформация при вторичной ползучести происходит очень медленно. Поскольку никаких микроструктурных повреждений не было, скорость ползучести стабильна и довольно медленна.

Третичный или Стадия III

Процесс деформации ползучести завершается третичной ползучести. Как только микроструктура металла повреждена, начинается этот этап процесса ползучести. Поскольку микроструктура продолжает ухудшаться все больше и больше, скорость деформации увеличивается. Металл в конечном итоге ломается и выходит из строя, как только образуется достаточное количество микроструктурных пустот.

Что такое сила ползучести?

Материал реагирует по-разному, когда подвергается сильному непосредственному стрессу или устойчивому стрессу в течение длительного периода времени. Когда материал подвергается постоянному механическому напряжению, кажется, что он движется медленно или необратимо деформируется.

Ползание — название этой врожденной склонности. Температура, время, напряжение и состав сплава — вот некоторые из факторов, влияющих на начало и развитие ползучести материала. Скорость деформации ползучести - это название, данное проценту проскальзывания. Ползучести необходимо знать о многих инженерных приложениях, особенно о тех, которые имеют дело с высокими температурами и напряжениями. Несколько случаев ползучего удара в паропроводах, космических кораблях и турбинах связаны с дисками и лопастями.

Предел ползучести, также известный как сопротивление ползучести, измеряет, насколько хорошо материал может противостоять ползучести. Напряжение, в частности, относится к внешним факторам, вызывающим устойчивую скорость ползучести. Это означает, что максимальное напряжение, которому подвергался материал без значительной деформации в течение заданного периода времени, является причиной трещиностойкости.

Какие существуют типы деформации ползучести?

Ползучесть дислокаций, диффузионная ползучесть (объемная диффузия или диффузия по границам зерен), ползучесть дислокаций с подъемом-скольжением и термически вызванная ползучесть скольжения являются несколькими примерами деформации ползучести. Все эти многочисленные механизмы ползучести зависят от температуры, при которой материал деформируется, величины напряжения, которому подвергается материал, а также микроструктуры и состава материала.

Например, непрерывно сваренный рельс, нагретый прямыми солнечными лучами, может деформироваться на железнодорожном полотне. Это вызвано растущим напряжением стали и последующей ползучестью. При умеренной ползучести бетон может разрушиться, но иногда это выгодно, поскольку помогает снизить деформации растяжения в конструкции. Постоянная нагрузка на полимеры приводит к зависящему от времени процессу увеличения деформации, называемому вязкоупругой ползучести.

Каковы распространенные случаи ползучести?

Чаще всего ползучесть можно заметить в некоторых приложениях. Из-за низких статических нагрузок и низких рабочих температур автомобильные рамы, например, в большей степени ориентированы на ударную вязкость. С другой стороны, если выбран неправильный материал, некоторые компоненты автомобильного двигателя, подверженные высоким нагрузкам и температурам сгорания в двигателе, могут подвергнуться ползучести.

Применения с высокой температурой и экстремальными нагрузками часто склонны к ползучести. Примеры включают производство ядерной энергии, детали промышленных двигателей, нагретые металлические нити, детали реактивных двигателей и высокотемпературные трубы под давлением.

Как измерить силу ползучести?

Для оценки сопротивления ползучести используется машина для испытания на ползучесть, инструмент, который измеряет деформацию материала при различных нагрузках. С температурой или нагрузкой в ​​качестве переменных его можно использовать для построения графика того, какое напряжение и деформацию может выдержать материал. Три уникальных стадии ползучести — первичная ползучесть, установившаяся ползучесть и третичная ползучесть — показаны на следующем графике.

Температуру и интервал времени для каждой стадии ползучести можно определить по графику. Таким образом, третичную стадию ползучести на графике можно использовать для определения силы ползучести или предела ползучести. Чтобы свести к минимуму эффекты теплового расширения, необходимо регулировать температуру камеры, в которой проводятся испытания на ползучесть.

Как минимизировать или избежать деформации ползучести?

Теперь очевидно, что деформация ползучести, как правило, плохая вещь. Можно принять определенные меры по проектированию, чтобы уменьшить его влияние или предотвратить его появление, некоторые из них включают:

• Используйте монокристаллические материалы с крупными зернами, чтобы уменьшить скольжение по границам зерен, и добавьте твердые растворы, чтобы устранить микроструктурные пустоты.
• Используйте вещества с высокой температурой плавления.
• Используйте металлы с кубической гранью (FCC), а не металлы с кубической гранью (BCC), чтобы уменьшить диффузию из-за их более низких коэффициентов диффузии.
• Используйте материалы с высоким модулем сдвига или практичное легирование.
• Снижайте рабочую температуру материала во время его использования (в зависимости от области применения).

Вкратце

Теперь ясно, что деформация ползучести обычно является нежелательным явлением. Чтобы уменьшить его эффект или предотвратить его появление, необходимо выполнить описанный выше шаг.

В материаловедении ползучесть — это тенденция твердого материала к медленному перемещению или необратимой деформации под воздействием постоянных механических нагрузок.

Это все, что касается этой статьи, в которой даны ответы на следующие вопросы:

• Что такое ползучесть материала?
• Каковы стадии ползучести материала?
• Что такое сила ползучести?
• Какие существуют типы деформации ползучести?
• Каковы распространенные случаи ползучести?
• Как измерить силу ползучести?
• Как свести к минимуму или избежать деформации ползучести?

Я надеюсь, что вы многому научились из прочитанного, если это так, пожалуйста, поделитесь с другими спасибо за чтение, и до встречи!